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 CONTENU DU LIVRE INCLUS DANS LA FORMATION

INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  1

CHAPITRE 1 LA MACHINE ASYNCHRONE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .5
1.1 MACHINES ÉLECTRIQUES : D’HIER À AUJOURD’HUI
1.1.1 Courte histoire des machines électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 Bataille de l’électricité versus bataille des machines électriques. . . . . . . . . . . .. . . . . . 8
1.1.3 Influence des machines électriques dans la bataille des fréquences. . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.4 Classification des machines électriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 MACHINE ASYNCHRONE
1.2.1 Construction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . .  15
1.2.2 Champ magnétique tournant (CMT). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.3 Fonctionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . .. . . . 21
1.2.4 Bilan énergétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . ..22
1.3 PARAMÈTRES DE LA PLAQUE SIGNALÉTIQUE
1.3.1 Bâti (frame). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 26
1.3.2 Puissance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .38
1.3.3 Vitesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.4 Tension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .39
1.3.5 Intensité du courant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.3.6 Facteur de puissance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .  42
1.3.7 Fréquence. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 42
1.3.8 Facteur de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . 43
1.3.9 Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . 44
1.3.10 Classe d’isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .  . . . . . . 45
1.3.11 Conception (design) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 46
1.3.12 Roulements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 47
1.3.13 Enveloppe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . .49
1.3.14 Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
1.3.15 Autres indications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .  50
1.4 SPÉCIFICITÉS DES MOTEURS POUR ENTRAÎNEMENT À VITESSE VARIABLE . . . . . . .  . 53
1.5 CIRCUIT ÉQUIVALENT DE LA MACHINE ASYNCHRONE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  55
1.6 CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DE LA MACHINE ASYNCHRONE
1.6.1 Caractéristique couple/vitesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .57
1.6.2 Zones de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .  . . 60
1.6.3 Classification NEMA des moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
1.7 SCHÉMAS DE BRANCHEMENT DE LA MACHINE ASYNCHRONE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
1.8 RÉ-IDENTIFICATION DES CONDUCTEURS DE MOTEURS
1.8.1 Ré-identification des conducteurs de moteurs à 6 fils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
1.8.2 Ré-identification des conducteurs de moteurs à 9 fils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

1.9 MOTEURS ET CODE CANADIEN DE L’ÉLECTRICITÉ
1.9.1 Câblage, conducteurs et protection de moteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.9.2 Exemple d’application du CCE aux moteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
1.10 DÉPANNAGE ET ENTRETIEN DE LA MACHINE ASYNCHRONE
1.10.1 Pannes les plus courantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . .73
1.10.2 Charte de dépannage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . 74
1.10.3 Entretien du moteur à cage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . 77
1.10.4 Réparer ou remplacer le moteur?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
1.10.5 Maintenance et gestion des moteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
1.10.6 Test de la résistance d’isolation des moteurs électriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
1.11 EXERCICES AVEC SOLUTIONS SUR LES CARACTÉRISTIQUES DES MOTEURS ASYNCHRONES
1.11.1 Exercices sur les caractéristiques mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   86
1.11.2 Exercices sur les paramètres de la plaque signalétique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . 105
1.11.3 Exercices sur les tests d’isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . 108
1.11.4 Exercice sur l’application du Code aux moteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  109

 

CHAPITRE 2 HARMONIQUES ET QUALITÉ DE L’ÉNERGIE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  113
2.1 CARACTÉRISATION DES HARMONIQUES
2.1.1 Introduction aux harmoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . ...115
2.1.2 Charges linéaires et charges non linéaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 116
2.1.3 Harmoniques et spectre harmonique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . .  . 118
2.1.4 Harmoniques : THD, valeur efficace et facteur de crête (CF). . . . . . . . . . . . . . . . . .  .  . . 125
2.1.5 Facteur de puissance et facteur de puissance de déplacement . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 130
2.1.6 Effets des harmoniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .  131
2.1.7 Interharmoniques et sous-harmoniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132
2.2 HARMONIQUE 3
2.2.1 Particularités de l’harmonique 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . 133
2.2.2 Influence de l’harmonique 3 sur le choix des dimensions des câbles . . . . . . . . . . . . . .141
2.2.3 Remèdes à l’harmonique 3 dans le réseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . 141
2.3 TECHNIQUES DE FILTRAGE DES COURANTS HARMONIQUES . . . . .  . . . . . . . . . . . . . .. 142
2.3.1 Pont triphasé à six impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . .  . . . . .  143
2.3.2 Pont triphasé à 12/18/24 impulsions versus pont triphasé à 6 impulsions. . . . . . . . . .144
2.3.3 Filtrage avec des inductances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . .. . . . 145
2.3.4 Filtres passifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . .. . . . . . 146
2.3.5 Filtres actifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 147
2.4 TRANSFORMATEURS À FACTEUR K. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 147
2.5 QUALITÉ DE L’ONDE DE TENSION FOURNIE PAR HYDRO-QUÉBEC. . . . . . . . . . . . . . .  149
2.6 RELEVÉS EXPÉRIMENTAUX SUR L’IMPACT DES HARMONIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2.7 EXERCICES AVEC SOLUTIONS SUR LES HARMONIQUES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155

 

CHAPITRE 3 VARIATEURS ÉLECTRONIQUES DE VITESSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . 171
3.1 VARIATEURS DE VITESSE : D’HIER À AUJOURD’HUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
3.2 TYPES DE CHARGES
3.2.1 Charge à couple constant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  .. . . 174
3.2.2 Charge à couple variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . .  175
3.2.3 Charge à puissance constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 176
3.2.4 Charge à puissance/couple constants et autres charges spéciales . . . . . . . . . . . . . . . . 177

3.3 VARIATEUR ÉLECTRONIQUE DE VITESSE À FRÉQUENCE VARIABLE
3.3.1 Principe de base du variateur de vitesse à fréquence variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.3.2 Commande du variateur de vitesse à fréquence variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.3.3 Redresseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .  . . 181
3.3.4 Circuit intermédiaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . .. . 183
3.3.5 Onduleur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . 184
3.4 ASSOCIATION MOTEUR-VARIATEUR ÉLECTRONIQUE DE VITESSE
3.4.1 Retour sur le schéma équivalent du moteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . .  194
3.4.2 Retour sur la caractéristique couple/vitesse du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 195
3.4.3 Rapport tension/fréquence et loi de commande à V/f constant. . . . . . . . . . . . . . .  . . . 197
3.4.4 Fonctionnement à couple constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.4.5 Fonctionnement à couple constant et faible vitesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.4.6 Démarrage avec le variateur de vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203
3.4.7 Fonctionnement à puissance constante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .205
3.4.8 Limites de fonctionnement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .210
3.4.9 Commande vectorielle et commande directe de couple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 213
3.4.10 Gradateur/soft-starter, principe et insuffisances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 218
3.5 VARIATEUR DE VITESSE À FRÉQUENCE VARIABLE ET MOTEUR INVERTER DUTY
3.5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 220
3.5.2 Temps de montée de l’impulsion et onde réfléchie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221
3.6 SÉLECTION DU VARIATEUR DE VITESSE À FRÉQUENCE VARIABLE ET DU MOTEUR
3.6.1 Moteurs, variateurs de vitesse et normes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..228
3.6.2 Adéquation du moteur avec le variateur de vitesse à fréquence variable . . . . . . . . . . 229
3.6.3 Adéquation du variateur de vitesse avec la charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .230
3.6.4 Sélection du moteur : standard ou inverter duty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . 230
3.7 APPLICATIONS ET AVANTAGES DE LA VITESSE VARIABLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 232
3.8 CONCLUSION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .  .232
3.9 EXERCICES AVEC SOLUTIONS SUR LES CARACTÉRISTIQUES DES MOTEURS ASYNCHRONES
ASSOCIÉS AUX VARIATEURS DE VITESSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233

 

CHAPITRE 4 EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE DES ENTRAÎNEMENTS ÉLECTRIQUES. . . . . . . . . .247
4.1 EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE : D’HIER À AUJOURD’HUI
4.1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. 249
4.1.2 Aperçu sur les moteurs et la consommation d’énergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
4.2 ÉNERGIE, ÉLECTRICITÉ ET MOTEURS
4.2.1 Le point sur l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .250
4.2.2 Le point sur l’énergie électrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 251
4.2.3 Le point sur les moteurs électriques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
4.3 EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE ET NORMES DE PERFORMANCE ÉNERGÉTIQUE MINIMALE DES MOTEURS
4.3.1 Le point sur l’efficacité énergétique en général. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .254
4.3.2 Norme de performance énergétique minimale (MEPS) en Amérique du Nord. . . . . . . 255
4.3.3 Norme de performance énergétique minimale (MEPS) dans le monde. . . . . . . . . . . . . 257
4.3.4 Performances des moteurs à 60 Hz versus 50 Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 260
4.4 EFFICACITÉ ET CHARGE DU MOTEUR
4.4.1 Charge du moteur et efficacité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . ..263
4.4.2 Avantages et inconvénients du moteur sous-chargé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
4.4.3 Efficacité et types de charges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 267
4.4.4 Moteur NEMA Premium® et incidence de la vitesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267
4.4.5 Facteur de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . .. . 268
4.4.6 Techniques d’estimation de la charge du moteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . 269

4.5 MOTEURS EFFICACES : PERFORMANCES ET QUESTIONNEMENTS
4.5.1 Moteurs NEMA Premium® : un investissement payant! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271
4.5.2 Prix d’achat et coûts de fonctionnement des moteurs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 273
4.5.3 Faut-il arrêter les moteurs qui fonctionnent à vide? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  .275
4.5.4 Réparation de moteurs et performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .276
4.5.5 Durée de vie et coût du cycle de vie des moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
4.6 MOTEURS ET VARIATEURS ÉLECTRONIQUES DE VITESSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
4.6.1 Applications pour la vitesse variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 279
4.6.2 Lois d’affinité et efficacité énergétique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
4.7 EXERCICES AVEC SOLUTIONS SUR L’EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE DES ENTRAÎNEMENTS ÉLECTRIQUES. . . . . . . . . . . 287
MÉDIAGRAPHIE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
ANNEXE I TABLEAU DU RENDEMENT DES MOTEURS EPAct. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299
ANNEXE 2 TABLEAU DU RENDEMENT DES MOTEURS NEMA PREMIUM®. . . . . . .  . . . . . . 300
ANNEXE 3 TABLEAUX DU RENDEMENT DES MOTEURS CEI. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .301
TABLEAUX DU RENDEMENT DES MOTEURS À HAUTE EFFICACITÉ (EPAct). . . . . . . . . . .  . . 302
TABLEAUX DU RENDEMENT DES MOTEURS NEMA PREMIUM®. . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . .303
ANNEXE 4 ÉVOLUTION DE L’EFFICACITÉ DES MOTEURS AVEC LA CHARGE. . . . . . . .  . . . .304
ANNEXE 5 ÉVOLUTION DE L’EFFICACITÉ DES MOTEURS, DE 1944 À 2012. . . . . . . . . . . . . . .304
ANNEXE 6 PRIX DES MOTEURS PAR HP EN AMÉRIQUE DU NORD. . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . 305
ANNEXE 7 PRIX DES VARIATEURS DE VITESSE PAR HP EN AMÉRIQUE DU NORD. . . . . . .  305
ANNEXE 8 ÉVOLUTION DU RENDEMENT DU MOTEUR, DU VARIATEUR DE VITESSE ET
DU SYSTÈME MOTEUR – VARIATEUR DE VITESSE POUR DIFFÉRENTES FRÉQUENCES. . . .306
INDEX. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 307